[發明專利]一種槽型混合表面等離子激元光波導

無效

• 申請號: 201210011869.7
• 申請日: 2012-01-16
• 公開（公告）號: CN102565934A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 鄭錚;卞宇生;趙欣;劉磊;蘇亞林;劉建勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及光波導技術領域，具體涉及一種槽型混合表面等離子激元光波導。

背景技術

作為納米光子學的新興研究領域，表面等離子激元光波導技術已經吸引了越來越多國內外專家學者的關注。表面等離子激元是由光和金屬表面自由電子的相互作用引起的一種電磁波模式。這種模式存在于金屬與介質界面附近，其場強在界面處達到最大，且在界面兩側均沿垂直于界面的方向呈指數式衰減。表面等離子激元具有較強的場限制特性，可以將場能量約束在空間尺寸遠小于其自由空間傳輸波長的區域，且其性質可隨金屬表面結構變化而改變。表面等離子激元波導可以突破衍射極限的限制，將光場約束在幾十納米甚至更小的范圍內，并產生顯著的場增強效應。目前表面等離子激元光波導正以其獨特的模場限制能力、較長的傳輸距離，以及可以同時傳輸光電訊號、可調控等獨特的優勢在納米光子學領域顯示出巨大的潛力，并已在納米光子芯片、調制器、耦合器和開關、納米激光器、突破衍射極限的超分辨成像以及生物傳感器等方面有著重要的應用前景。

傳統的表面等離子激元光波導主要包括金屬/介質/金屬型和介質/金屬/介質型兩類結構。其中，介質/金屬/介質型光波導傳輸損耗較低，但較差的模場限制能力制約了其在高集成度光路中的應用；另一方面，金屬/介質/金屬型光波導具有很強的模場限制能力，但其傳輸損耗太大，導致其無法實現長距離光信號的傳輸。針對傳統表面等離子激元光波導模場限制能力和傳輸損耗之間的矛盾，加州大學伯克利分校的張翔研究小組提出了一種混合型表面等離子激元光波導，他們的研究發現在低折射率介質/金屬表面的附近添加一個高折射率介質層，可將光場約束到高折射率介質層和金屬界面之間的低折射率介質狹縫中傳輸，同時保持較低的傳輸損耗。

受該混合型波導結構的啟發，本發明為進一步提高其模場限制能力，提出一種采用金屬槽作為基底的混合型波導結構。該混合型波導可以很好的將模場限制在金屬槽和槽內所填充的高折射率介質之間的狹縫內，從而實現對模場的亞波長限制，同時具有較低的傳輸損耗。此波導可用于實現各類有源及無源表面等離子激元器件，對于構建大規模集成光路具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的是進一步提高傳統混合型波導的模場限制能力，提出一種槽型混合表面等離子激元光波導結構。

本發明提供了一種具有較強模場限制能力的槽型混合表面等離子激元光波導，其橫截面從下到上依次為金屬基底、低折射率介質層、高折射率介質區和包層；金屬基底在與低折射率介質層相接的區域的外輪廓呈“V”字形，且金屬基底“V”字形區域的高度范圍為所傳輸光信號的波長的0.12-0.65倍；低折射率介質層與金屬基底相接的區域的外輪廓以及低折射率介質層與高折射率介質區相接的區域的外輪廓均呈“V”字形，低折射率介質層的厚度均勻，其厚度范圍為所傳輸光信號的波長的0.06-0.4倍，金屬基底“V”字形區域中心的外頂角和高折射率介質區底部的內頂角相等，其角度范圍大于0度且小于180度；高折射率介質區的材料折射率高于低折射率介質層以及包層的材料折射率，低折射率介質層和包層的材料可為相同材料或不同材料，低折射率介質層和包層的材料折射率的最大值與高折射率介質區的材料折射率的比值小于0.75。

所述結構中金屬基底“V”字形區域的中心和高折射率介質區的底部均有倒角，且金屬基底“V”字形區域中心的倒角大于高折射率介質區底部的倒角，兩倒角曲率半徑之差等于低折射率介質層的厚度。

所述結構中金屬基底的材料為能產生表面等離子激元的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種、或是各自的合金、或是上述金屬構成的復合材料。

本發明的槽型混合表面等離子激元光波導具有以下優點：

本發明所設計的槽型混合表面等離子激元光波導可以將光場較好的限制在納米級的低折射率介質槽中，同時具有較低的傳輸損耗。

與其他類似混合型表面等離子激元光波導結構相比，該二維結構更易于加工，易應用于高集成度的光波導芯片中。

附圖說明

圖1是槽型混合表面等離子激元光波導的結構示意圖。區域1為金屬基底，“V”字形區域的高度為h，“V”字形區域中心的外頂角為θ，“V”字形區域中心的倒角半徑為d+r；區域2為低折射率介質層，其厚度為d；區域3為高折射率介質區，其底部的內頂角為θ，底部的倒角半徑為r；區域4為包層。